甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应（可编辑）

甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应（可编辑） 甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应 兰州大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应 姓名:杨佳丽 申请学位级别:硕士 专业:水文学及水资源 指导教师:魏国孝 20100601兰州大学届硕士毕业论文 甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应 摘要:该文以梨园河鹦鸽嘴水库入口断面以上流域为研究对象,建立分 布式流域水文模型,进行地表径流模拟,为解决水资源的合理调配提供参考 依据, 以保障张掖市节水型社会建设顺利实施,改善梨园河乃至黑河流域日益恶化 的生 态环境。 据研究区已有的数字高程图、土地利用类型图、土壤类型图等数据资料,将 研究区流域划分为个子流域,个水文响应单元,结合模型自带的 数据库建立梨园河流域的属性数据库。根据已有的气象资料和径流资料,选 择合 理的模拟方法和模拟尺度,以?年为模型参数率定期,.年为 验证期,利用模型进行模拟。模拟结果显示年径流深率定期和验证期的 相关系数分别为.和.,?效率系数分别为.和.,月径 流深的率定期和验证期的相关系数分别为.和.,.效率系数 分别为.和.,相关系数和.效率系数均大于.,模拟效果 好,所建立的模型适用于梨园河流域的地表径流模拟。最后,应用自回 归模型和时域法预测梨园河流域.年的气候状况,并重新建立气象数据 库,加载到已率定的模型中进行地表径流模拟,模拟结果表明径流呈明 显下降趋势,分析径流对气候变化的水文响应,结果表明径流深对气温的水 文响 应敏感度较降水量高。 关键词:模型,地表径流模拟,地理信息系统,自回归模型,梨园河流域兰州大 学届硕:毕业论文 ..., , ..? ?.. . . ., .. , . ? . . , . : , ,,? ,兰州大学届硕上毕业论文 原创性声明 本人郑重声明:本人所呈交的学位论文,是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外,不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 日 期: 业 担兰州大学届硕士毕业论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定, 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版, 允许论文被查阅和借阅;本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名: 导师签名:望始期:型.;.兰州大学届硕上毕业论文 绪论 .研究背景 黑河发源于祁连山,终于内蒙居延海,是我国西北较大的内陆河,流经了甘、 青、蒙三省区,为所流经的大小城市带来了水源,带来了繁荣和发展,但是 由于历史上人类和自然的相互作用与影响,黑河也带来了肆虐的沙尘暴。黑河流 经的西北河西走廊的干旱区,气候恶劣,降水稀少,生态环境脆弱,人类对水资 源的节约与保护程度不够,使得环境问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 愈演愈烈,而水资源作为支撑社会、经 济、生态环境可持续发展的必须物质,其质与量的状况都关系着西北干旱区的社 会、经济、生态环境的协调发展,干旱区的许多水问题不仅制约了经济和社会的 发展,更是导致不可再生的环境恶化。自世纪年代以来,由于黑河流域 中地区人口增长和经济发展,用水量不断升高,造成下游地区河水枯竭、地下水 位下降、林木大量死亡、草场退化、沙尘暴肆虐等生态环境问题。梨园河作为黑 河的一条一级支流,同样面临着地下水位下降,地表水量减少、草地退化、沙尘 暴肆虐等生态和环境问题。在上游河段,由于矿产资源的开发,河道中的水质也 遭受了不同程度的污染,主要污染物为铁、铜和氮,水质不断恶化,不断开采作 业也使得地下水硬度在逐年攀升,不断影响着人类的健康。黑河流域作为国 家治 理生态环境的一个综合治理区域,在张掖河段采取了一些措施恢复适宜该地区生 长的灌、草植被,如:封山育林草、人工造林草等方式,严格保护现有 的乔、灌、草等资源和仅有的一些生态湿地资源;严禁在植被恢复区内超载放牧 和滥挖、滥垦,在治理区内全面加大防沙、治沙力度;对于南部的祁连山山区, 以封山育林为主,以其自身的物种多样性和旺盛的繁殖能力,在无人类干扰的情 况下恢复林草植被,大力加强对现有天然林、草场的保护,提高植被的水源涵养 效能,同时在浅山区和沿山区退耕还林、还草;对于祁连山核心区的农牧民实现 生态移民,耕地还林还草,封山育林育草。这些措施的实施必须依赖于水资源的 供给充足,只有水资源满足该区域的生态需求,才能使治理措施达到预定效果, 所以水资源量地下水量、地表水量的调查研究也非常重要。如何处理生态环 境与人口增长、生活用水、工业用水等问题之间的关系,需从多方面进行考虑, 而解决流域水资源的合理调配手段的选择是关键,而对流域的径流模拟为流域水 资源合理调配措施的选择提供了参考依据。 梨园河水源主要来自祁连山冰雪融水、降水及山泉水,梨园河出山口以后的 河段上建有座四级水电站及大型自流灌区,梨园河下游河段大沙河由于梯级 水电站的建设,产生了大量的减水河段,造成下游河段的生态需水量无法得到满 足的现象,对临泽县的农作物及城镇供水造成了~定的影响,所以,有必要模拟 预测流域水资源量,作为制订水资源合理调配 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的参考,以保障节水型社会建兰州大学届硕士毕业论文 设顺利实施,改善梨园河乃至黑河流域日益恶化的生态环境。 .研究意义 梨园河的发源地为祁连山北坡,海拔,主要水源为冰雪融水和降水。 梨园河由祁连山发源后,在九个泉、摆浪河汇流,进而自西向东流动。该论文选 择梨园河鹦鸽嘴水库入口以上流域为研究区,属典型干旱区地理环境,研究干旱 区径流模拟的特性及气候变化的水文响应,能够对更好的利用和管理水资源并为 实现水资源的可持续发展起到一定的指导作用。 该文利用水文模型中最基本、也是最重要的环节??地表径流模拟来研究梨 园河流域的径流过程,解决梨园河流域中存在的水文、水资源问题。分布式流域 水文模型在描述模拟水文过程的数据输入方面、边界条件、空间变化方面及水文 物理特性等这些要素的非均质性方面有一个比较全面、客观的定义,同时,分布 式流域水文模型的数据输入过程、中间处理过程到输出结果及与输出关联密切的 模拟过程都是分布式的,流域内存在的这种时空的不均匀性是通过分布式模型中 的具有物理意义的参数体现出来的,这种不均匀性还体现在流域下垫面的时间和 空间的变异性,及水文气象环境等要素的时间和空间的变异性,理论上,分布式 模型可以通过这些参数的时空变化来模拟土地利用状况、水资源开发现状、生产 生活活动等人类因素影响环境而造成的水文响应,为流域的土地利用规划、水土 保持措施、防洪减灾、水资源的有效开发等多方面提供制订方案的科学依据,以 实现流域一体化的管理,而梨园河流域的一体化管理首先要从对水资源量和质的 了解开始。 梨园河灌区是从黑河支流梨园河引水灌溉的大型自流灌区,在梨园河上同时 建有径流引水式梯级小水电站座,研究区位于梨园河出山口前,是灌区和梯 级水电站的源头,产流机制的模拟为鹦鸽嘴水库的调蓄防洪、灌区和梯级水电站 的水资源优化配置、保证农业灌溉用水提供一定的科学依据。 . 模型的应用 随着计算机技术的突破性进步,和技术的发展纯熟,数字高程模型、 信息、通信技术的普及,分布式水文模型【‘】已逐步代替了集总式水文模型,并 且其物理过程也越来越符合实际,能够很好的描述模拟区域的下垫面状况,最具 代表性的分布式水文模型为:模型【、/ 模型【‘】、 模型【】等。前两者可应用到大、中流域,而后者在小型流域的模拟效果较 好,研究区域为梨园河上游流域,集水面积为,属小型流域,因此,拟 选用模型来模拟梨园河流域的地表径流过程。 基于物理过程的模型,利用和等工具提取空间数据信息,模 兰州大学届硕上毕业论文 拟流域各异的水文过程,其应用较广泛的领域主要有地表径流模拟【.”】,对下垫 面条件变化和气候变化的水文响应模拟【。】,非点源污染模拟预测研究以及 水土保持的应用研究【等方面。 鉴于模型在国内外涉及径流、泥沙、下垫面条件变化和气候变化的 水文响应模拟、非点源污染等方面的成功例子,在中国辽阔的土地面积和多 元化的生态环境下的应用将会有广大的应用前景。与国外的应用区域类型相似, 在国内也是主要在中部湿润区开始了模型的应用,但国内已有前人已干 旱内陆河流域利用模型做过一定的研究工作,其应用效果较好。研究对 象为梨园河流域,位于西北河西走廊干旱区,该论文将模型应用于梨园 河流域的径流模拟,即为将模型应用干旱区模拟,在一定程度上有助于 模型在干旱区应用的适用性讨论和研究。 .研究内容及技术路线 该文的研究内容紧紧围绕着模型的建模与运行展开,在技术和 技术的支持下,应用模型模拟梨园河流域产汇流过程,并利用白回归 模型预测未来气候状况,进而模拟预测鹦鸽嘴水库控制站点未来的径流量。具体 的研究内容包括以下方面: 了解和理解虹模型的运行原理和结构 参考的英文帮助文件以及有关分布式水文模型、模型的书 籍和相关方面的文章,清晰了解模型的原理和结构,该论文是对梨园河流域的地 表径流过程进行模拟,于是针对其着重分析模型中与地表径流模拟相关的地形、 气象、土地利用、产流、河道汇流等模块。 建立空间数据库与属性数据库 赴梨园河流域地区肃南县、临泽县等地进行实地考察了解研究区的实 际状况、针对性的搜集建模所需资料,并进行室内整理,以和的各模 块工具为技术支撑,以模型的建模要求为依据,构建研究区的空间数据 库和属性数据库,并在此基础上,利用 工具建立文件作为 索引链接文件,以实现模型中数据库的互相调用。 建立分布式水文模型 将上述建立好的空间数据库和属性数据库按照模型建立步骤输入到模型中, 使模型能够无误的读取所有数据库信息,而后,在运行模型过程中,选 择与研究区梨园河流域相适应的降水模拟、蒸散发模拟、河道汇流演算等的 模拟 方法,选择与实测资料相对应的时间尺度进行地表径流的模拟。以.年 为模型参数率定期,选取敏感性分析中对模拟结果影响较大的参数进行参数 率 定;并选择.年的实测数据对模拟结果进行验证,以确定模型在梨园河 兰州大学届硕士毕业论文 流域上游的适用性。 利用自回归模型和时域法模拟预测.年的降水量和最高最低 气温,以得到未来的气候状况,进而重新建立气象资料数据库来模拟梨园河 流域 未来年的地表径流量。 分别分析未来年的降水量变化、最高最低气温变化和径流量变化, 进而分析径流对气候变化的水文响应。 兰州大学届硕士毕业论文 研究区自然地理概况 梨园河是西北地区内陆河黑河的一经支流,位于黑河于流以西,地处西北河 西走廊的干早区.河道全长,年径流量为 亿一,是张掖市的第二大 河流。梨园河的发源地是祁连山北坡的锅盖沟与马圈沟,其海拔高程为, 由九个泉、摆浪河自西向东汇流,在白泉门处转折向东北流动,流至肃南红湾 寺 处,与东柳沟、西柳沟河两河汇流,这一段被称为隆畅河,而后再与青沟河、 海 牙沟河、禾杨沟河汇合,途经骆驼脖子 至梨园堡出山,这一段被称为梨园河 梨园堡以上流域的集水面积为 该河出山后向北流动,经临泽县城东侧 于野沟湾处汇入黑河,这一河段被称为大沙河。该模型模拟以鹦鸽嘴水库入 口作 为流域的控制点,研究梨园河在该控制点以上的流域。该流域的集水面积为 。 睾 。 、 粼 ::::%~ 圈研究区地理位置田 .地形地貌 梨园河发源于祁连山北坡的锅盖沟,分水岭海拔高程为,上游河段被 称为隆昌河.经肃南裕固族自治县,于梨园堡出山,进入河西走廊盆地,在野沟 湾处汇入黑河。在鹦鸽嘴水库以上的河段一般深切基岩,河床呈“’字型河谷状, 狭窄而陡峭,坡降极大,且常形成阶梯状陡坎,肃南县城段的河段正处于山间盆 地中,较为开阔,且两岸由两级侵蚀摹座的阶地堆积而成;在鹦鸽嘴水库以下至 梨园堡出山口的梨园河河口段的河谷相对开阔,河谷呈现为“,’字形状,在两岸 兰州大学届硕士毕业论文 分布着不对称的~级侵蚀阶地。河床的松散覆盖层厚度一般为~。岩层 中有第四系的冲积砂卵石岩、坡积碎石土和洪积碎石士。砂卵石层分布在梨园河 的河床中及各堆积阶地上,该岩层的蚀圆度较好,砾石、卵石的成分主要是变质 砂岩、沉积岩和花岗岩等,未胶结,其质地坚硬,可采为建筑材料使用。坡积和 洪积的碎石土,主要为白垩系砂砾岩、砂岩碎块及土类。梨园河流域的地形地貌 可从图中得到体现。 二三?二?~ 圈研究区鼍蓐髟像圈 . “由鞠 .气象 梨园河流域地处河西走廊干早区,为内陆河黑河的一级支流,其气候类型属 于大陆性干早气候,其气候特征可概括为:夏季酷热.蒸发量大,雨量稀少;冬 季严寒,结冰期延续长达四个月之久。流域山区降水有明显的垂直分带性,降水 在地区上总的分布趋势是上游大干下游,东面太于西面,降永主要集中在汛期。 汛期暴雨的特点是历时短、强度大、笼罩面积小。流域上的降水量随着河流从上 游到下游流动逐渐减少.相反的是,蒸发量随之逐渐增加。临泽县梨园堡水文站 ,年平均降水量为 气象数据的统计资料显示.多年年平均蒸发量为 ?,极端最低气温 ,降水的峰值主要集中在~月,年平均气温为 为一 ?,极端最高气温为 ,年均日照时数为小时,无霜期为兰州大学届硕士毕业论文 天,最多风向为西北风,平均风速为./,最大风速为/,最大积雪深为 ,最大冻土深为。图.、图.为肃南气象站多年平均最高最低气 温趋势图,从图中可看出最高最低气温均呈上升趋势;图.为肃南气象站多年 平均降水量趋势图,可看出降水量略有上升,但趋势不明显。 图肃南多年年均最高气温年际分布图 . ? 图肃南多年年均最低气温年际分布图 . 兰州大学届硕士毕业论文 图?肃南多年降水量年际分布图. .水文 黑河发源于祁连山中段,是我国第二大内陆河。其干流全长,全流域 的集水面积达.万,海拔均在以上,地势高寒,气候阴湿,降水量 均在以上。梨园河属于内陆河黑河水系,是黑河较大的一级支流,梨园河 分为三段,上游为隆畅河,中游为梨园河,下游为大沙河。梨园河发源于祁连山 北麓,而后自西北向东南流动,于自泉门折转向东北,注入黑河。流域呈长条状, 流域内总的地势是西南高,东北低,上游祁连内河段,山势陡峭,河源终年积雪, 少有现代冰川分布,山地阴坡面分布有天然林,牧草丰富,植被较好,山区雨量 大,是梨园河流域的主要产流区。肃南至梨园堡站植被逐渐稀少,区间较大的支 沟是肃南县城附近的东流沟、西流沟及县城下游处汇入的海牙沟和青庄子 沟,其余支沟均为间歇性沟,干沟门至梨园堡一段河段由于植被覆盖度低,暴雨 洪水陡涨陡落,成为梨园河泥沙的主要来源地。梨园河流域上有水文站两处,一 处为干沟门水文站,集水面积为,年下迁至肃南县城内,更名为肃 南站,距干沟门站约.,集水面积为,另一处为梨园堡水文站,集 水满级为,年撤销,移交鹦鸽嘴水库代测。梨园河的径流总量主要 由汛期降水和冰雪融水补给,径流量在年内分配极不均匀,其极大一部分都集中 在每年的汛期~月,这同降水在年内分配的不均匀性是一致的,可以看出降水 量对径流的影响较大。~月气温开始升高,上游的冰雪融水补给河川径流的补 给量呈上升趋势,其量约占年来水量的.%;月河川径流主要由降水补给, 月为洪水的 其量约占年来水量的,%,全年最大洪水也分布在、一月; 退水时段,河川径流量呈减少趋势,其量约占年来水量的.%;月至次年 月河川径流主要为地下水补给,其量占年来水量的.%,全年最小径流量在 兰州大学届磺士毕业论立 月下旬至次年月下旬出现。梨园河多年平均径流量为 亿’,鹦鸽嘴水库的 多年平均径流量的年际分布如图.所示。从图中可看出多年年均径流的趋势略 有上升,但趋势极不明显。 田鹦鸽费水库多年年均径流湃年际分布阻 培. ‘? 圈?研究区永摹圈 . .土地利用,植被覆盖 研究区主要位于祁连山至出山口一段,受祁连山的影响,植被类型呈现明显 兰州大学届硕士毕业论文 的垂直过渡带。从祁连山高海拔过渡到出山口冲积平原地带,植被类型也从林地 过渡为草地。在祁连山高海拔地区主要以冰雪覆盖,随着海拔的降低,积雪减少, 森林也随之减少,逐渐过渡为荒漠、草地。荒漠植物由于受水分条件的制约,多 以片状、均匀、聚集状分布在沙平地、河床阶地上。 .土壤 研究区位于祁连山发源地至梨园河出山口流域内,区内土壤类型可分为七个 土类,十二个亚类,区内高山土面积占了%。祁连山地受山地气候、地形和植 被影响,为高山寒冷荒漠土壤系列、高山草甸土壤系列、山地草甸草原土壤系列、 山地草原土壤系列和山地森林土壤系列形成分布区,主要土类有寒漠土、高山草 甸土寒冻毡土、高山灌丛草甸土泥炭土型寒冻毡土、高山草原土寒冻钙 土、亚高山草甸土寒毡土、亚高山草原土寒钙土、灰褐土、山地黑钙土、 山地栗钙土、山地灰钙土等。土壤垂直带谱也非常显著。海拔为 寒漠土;为高山灌丛草原土和高山灌丛草甸土;为亚 高山灌丛草甸土;的阴坡为灰褐土,阳坡为山地黑钙土; 的阴坡为灰褐土,阳坡为山地暗栗钙土;为山地栗钙土; ~为山地灰钙土。 兰州大学届硕士毕业论文 模型数据库的构建 应用的模型的版本为,是镶嵌于旗下的产品 软件中的一个模块,的数据库相对简单,最主要的缺点是 土壤类型这一数据库的建立无参考资料,作者需根据建模需要查阅土壤资 料、计 算参数、建立土壤属性数据库。为模型建立的数据库有两种类型:空间 数据库和属性数据库。空间数据库类型主要包括数字高程模型、土地利 用类型、土壤类型:属性数据库类型主要包括土壤物理属性数 据库、气象数据库及与气象数据库相关联的气象数据、流域控制站点的流量 资料。 数据库中数据的存储形式主要为栅格图、矢量图和二维数据表,空间数据库 可选择以栅格数据或矢量数据输入,该文中采用的是栅格数据输入,属性数 据库 以二维数据表格式进行存储。 表 模型需要的数据及格式 . .空间数据库 为了更好的完成建模,避免建模过程出现错误,要求所有的空间数据库必须 选择一致的投影坐标系,在文中利用/中的命令完成 对所有空间数据的投影变换工作。投影信息见表.。 表投影信息表 ...数字高程模型 数字高程模型是一种实体地面模型,其建立和生成是以一组有序的数字阵列 来表示地面高程值,其它各种地形特征值均可由数字高程模型提取出来。数 字高 程模型是模型进行流域勾画、子流域划分、河网水系生成、水文响应单 元划分生成的基础。在建模过程中,使用的是由国家级自然科学基金委的兰 州大学届颈?毕业论文 “中国西部环境及生态科学数据中心”发布的甘肃省:万的地理坐标系的数 字 高程模型,根据流域的勾画和控制站点的选取.将研究区流域划定在。。, 。~的范围内。最后,将原始的进行规定投影坐标系的投影变换、 网格大小重分类等处理,生成模型建模所需要的图。图为根据 流域边界抽取出来的研究区高程图。 圈.研究区圈 ...土地利用艟被覆盖 土地利用/植被覆盖的类型分布影响着蒸发量和下渗率,主要有冠层截留量、 陆面蒸发量、土壤下渗量、植被蒸腾量等,进而撮终影响了地面产流和汇流 过程 以及径流量的大小。在文中首先投影研究区附近的各以县为单位的土地利用 类型 图,然后利用中的工具合并土地利用类型图单元的 格式的文件,再用流域边界对己合并好的土地利用类型文件进行切割,然后 对具 有流域边界的土地利用类穗代码进行重分类并赋值,如表所示,最后将处理 好的文件转换为文件,将其栅格太小设为,土地利用 类型图如图.所示,经过的上述预处理后,土地利用类型图可供建模使用。 要建立模型的土地利用数据库需将原始的土地利用类型重分类后使用, 并将其与模型中自带的植物生长模型的数据库中的代码对应起来,作为 划分水文响应单元的基础之一。兰州大学届硕士毕业论文 表研究区土地利用类型重分类表 . 根据研究区土地利用类型图,统计得到重分类后的各种土地利用类型的面积 百分比,统计结果为:研究区的总土地面积为,其中草地所占的面积 最大,占总面积的.%,林地占总面积的.%,土地利用所占比例的详细 情况见表。 表研究区土地利用类型面积 . 兰州大学届碗?毕业论立 圉研究区土地利用重分类图愀 圈研究区土壤类型圈 唔 蜘 .土壤类型图 土壤类型图是根据年全国土壤普查办公室编制并出版的《;万中 华人昆共和国土壤图》中获取的.该全国土壤图式采用了传统的“土壤发生分类” 的系统,基本制图单元为土壤亚类,土壤类型分为个士纲,个土类, 个亚类。该文制作土壤类型图是将获得的全国土壤图的格式转换为兰州大学届硕士毕业论文 文件格式,应用/ 中的命令对其进行投影变换, 并用研究区的流域边界进行切割,得到该论文研究区的土壤类型图,最后应用 将土壤类型图的格式转换为格式,设定栅格大小 为,预处理完成后,该土壤类型图可供建模使用,如图.所示。 土壤类型图的生成对地表径流模拟非常重要,直接关系到研究区的土壤下渗 率,以及水在土壤中的运移速度及方式,决定着地表径流的产流机制。为了满足 模型的模拟需要,将土壤类型概化为个亚类,土壤类型名称及所占面 积如表.所示,在完成土壤类型图的制作和必要的处理后,建立一个土壤类型 图与土壤物理属性数据库相对应并相互链接的索引表,最后将土壤类型 和索引表均输入到模型中,进行重分类,而后将其与上 面输入的土地利用类型图合并作为划分水文响应单元的划分依据。 表研究区土壤类型及所占面积 ..属性数据库 中使用了个数据库来存储模型有关的属性信息,包括土壤类型、 气象数据、土地利用/植被覆盖、耕作、营养成分和农药及农业管理模式等,分 、 / 、 、、 别存储在 、、数据库中。在文中着重于地表径流总量的模拟,所以 仅用到土壤的物理属性数据库、土地利用/植被覆盖数据库以及气象站点数据库, 而中自带着一个单一的植物生长模型,可以用来模拟世界上所有类 型的植被覆盖,所以对土地利用/植被覆盖数据库不做修改,仅在模型自带的数 据库的基础上对土壤物理属性数据库和气象站点参数数据库进行修改。兰州大学届硕士毕业论文 ..土壤物理属性数据库 模型中用到的土壤属性数据库有两类:物理属性数据库和化学属性数据库, 由于在模型中物理属性数据库是必须的建立的,而化学属性数据库为可 选项。根据模拟地表径流的实际情况及使用的产汇流子模块类型,仅涉及到 物理 属性数据库,在文中仅建立物理属性数据库。土壤的物理属性决定了土壤剖面中 水和气的运动和交换状况,并影响着每~个水文响应单元中的水文过程。物理属 性数据库主要包括土层厚度、有机碳含量、土层有效水量、土壤的饱和水力传导 度等,模型中土壤物理属性数据库文件的各变量名称及含义如表.所示。 表 模型土壤物理属性输入文件,.变量名称 变量含义 ’’’/’’。 位于.文件的第一行,用于说明文件 土壤名称在总裹中显示 土壤水文学分组、、或 土壤剖面最大根系深度 阴离子交换孔隙度,默认值为. ? 土壤的孔隙比,可查得 土壤层的结构 土壤层厚度 土壤湿密度‖ 土壤层可利用的有效水/ 饱和水力传导系数/ 有机碳含量 黏?%,直径.的土壤颗粒组成 壤土%,直径在.~.之间的土壤颗粒组成 砂土%,直径在.~.之间的土壤颗粒组成 砾石%,直径.的土壤颗粒组成 一 地表反射率 札 方差中土壤侵蚀力因子 电导率/ 土壤颗粒、、、百分含量的计算 首先查阅全国土壤数据库,得到各土壤类型中的颗粒百分含量。但是,由全 国土壤数据库查得的颗粒百分含量采用的粒径级配 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 为国际制标准,而在 模型中应用的是土壤粒径级配标准为简化的美制标准,因此需要将 所查得资料的土壤粒径级配从国际制标准转换为美制标准。鉴于相关研究应 用三 次样条、二次样条、线性插值法等方法对不同标准的土壤粒径级配进行转换 插值 的数学方法进行土壤质地转换的结果 。,经过对比分析,选择三次样条插值 法 进行土壤粒径级配标准的转换工作,在计算过程中,应用软件编程进 行三次样条插值法计算以达到粒径级配转换的目的,最终得到美制的、 兰州大学届硕士毕业论文 、、的百分含量。 表土壤粒径级配标准对比 .根据土壤颗粒组成计算部分参数 、 利用计算得到的、、、的百分含量来计算 、 等参数。应用前面求得的各土壤颗粒粒径转换为美制的土壤 颗粒含量数据,结合美国华盛顿州立大学研制开发的土壤水特性软件即 .?.,可以很好的计算出土壤属性数据所需的部分参数。 在计算过程中,利用模块,将黏土含量、砂土含量、砂砾 含量、有机质 含量等参数,输入到软件的 ?模块中,即可直接得到建立数据库所需的部分参 数,而另一部分参数还需经过人工代入经验公式中计算得到。可直接输出相 关数 据为:?田间持水率 ,%; ,%;?凋萎系数 ?土层饱和度,%;?土壤容重 ,/,单位需转换 ,/,单位需转换为。而后, /;?饱和导水率. 由变量?和?可以计算土壤可利用的有效水量值 ,其计算公式为: .,其中为田间持水率,为凋萎系数。据相关研究分析表 明:土壤的各颗粒的百分含量与土壤的各物理属性参数之间有着极好的统计 关 系,该软件的计算值与实测值之间的拟合度很高引。 部分参数查阅资料得到 、 、 可通过查阅甘肃省土壤志、甘肃省土种志 和张掖市土壤志等资料得到。 :土壤层中有机炭含量,其值的计算一 般由有机质的含量乘.得到,而有机质的含量可通过查阅相关资料获得。 部分参数采用模型默认值 、 :电导率/, 可采用模型默认值。 采用模型默认值.; :阴离子交换孔隙度,模型默认值为.。 土壤水文学分组的定义 由于文中所建立的模型进行产流计算时采用的方法是径流曲线数 法,这个方法的应用需合并研究区的土壤水文学分类,以得到满足径流曲线 数法 兰州大学届硕上毕业论文 计算径流量所需的土壤分类,所以土壤水文学分组的定义也非常重要。年, 美国自然资源保护局的土壤调查小组将在相同的降水和下垫面条件下, 具有相似的产流过程的土壤的水文学性质归为一类,由此可将土壤分为四 类。影 响土壤产流能力的主要因素,包括季节性水文深度,饱和水力传导度,下渗深 度。 表 模型的土壤水文学分组 . 采用经验公式【来计算土壤渗透率: . “ 式中:为土壤渗透率,为土壤平均的颗粒直径。 计算确定 的值 土壤的反照率 值的确定依赖于土壤颜色深浅而划分的等级以及第 一层土壤层的体积含水量,该文根据土壤的反照率与土壤湿密度的经验公式 来计 算反照率,计算公式为口.一.缈。,式中:%是水分达到饱和时的土壤 反照率,国。为土壤深度为时的土壤湿密度。 的值 计算确定 在其他土壤属性因子不变的情况下,因子的不同反映了不同类型土壤的抗 侵蚀能力。其大小与土壤的物理性质,如:有机质含量、机械组成、土壤组织 结 构、土壤下渗率等有关。当土壤颗粒较粗且下渗率较高时,值就低,反之则高。 一般情况下,值的变化范围是.~.。 值可由在年提出的方程求得,计算公式如下所示: ? 眦锐删×厶卅××厶 式中:氕删为砂土的土壤侵蚀因子,厶.。为壤土的土壤侵蚀因子,为土 壤的有机质含量因子,厶删为高含量砂土土壤侵蚀因子。上述各因子的计算 公 式如下所示: 江 ...×他卜裔 协, 叫袅.兰州大学届硕士毕业论文 以/一 式中:聊,为土壤中砂土百分含量,曲为土壤中壤土百分含量,,%为土壤 中黏土百分含量,成心为土壤中有机碳含量。 ..土地利用/植被覆盖属性数据库 中自带一个单一的植物生长模型,可用它来模拟世界上所有类型 的植被覆盖状况,模型中所以有关土地利用/植被覆盖的数据是通过一个名 为 .的数据库文件进行存储和调用的。 ..气象数据库 需要输入的气象数据主要包括研究区的日降水量、最高最低气 温、太阳辐射、风速和相对湿度。这些数据可以是实测数据,也可以通过 模型的天气发生器 进行模拟生成。该文采用气象数据是位 于研究区内外的个气象站点的年日资料,包括日降水量、日最高最 低气温?、日风速/和日相对湿度%,气象数据由临泽县气象局和 民乐县气象局提供。气象站点信息见表,气象站点分布图见图.。 表气象站点信息 ..兰州大学届硬?毕业论文 圈气拳站点分布圈 .罾 中的气象数据是以的格式存储的,每个气象站点观测的每 一项气象要素分别建立一个文件。同时对每一项气象要素建立一个要素站 点的信息文件作为索引,包括站点的名称、海拔、经度、纬度等,以便模型调 用。 在模型中不仅加载了实测日气象数据,还建立了天气发生器来模拟缺测的日 气象资料,建立天气发生器需要输入约个参数,这些参数可通过多年运月的 气象资料进行统计计算获得,计算繁琐、量大。天气发生器内输入的各参数 含义 及计算公式如表?所示.同时还需要建立气象站点的信息文件作为天气发生 罂数据库的索引。 天气发生器除利用上述公式计算外.还可以用相关软件进行计算,其中,利 用以多年降水量为基础计算、、 、 、 ;利用以日最高最低 的函 气温和日相对湿度为数据基础计算露点温度,利用 数计算偏度系数等。在文中应用和软件进行天气发生器 各参数的计算工作,其他的利用 软件中的 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 及已有计算公式进 行计算。兰州大学届硕士毕业论文 表.天气发生器各参数含义及计算公式 . 兰州大学届硕士毕业论文 .水文数据 水文数据的搜集是为了在模型运行后期的参数率定和验证阶段使用,对模型 的适用性评价有着重要的意义,所以在选择时须排除一切影响流域水文过程的因 素例如水库、湖泊、池塘的影响。在该论文中研究设置的流域控制点在鹦鸽 嘴水库入口处的鹦鸽嘴水文站,以鹦鸽嘴水文站的径流资料作为模型的率定和验 证的基础。水文数据是已还原到鹦鸽嘴水库入流前的梨园河多年月平均流量资 料,经过还原计算的径流资料具有很好的实用性,这部分径流资料来自临泽县水 务局。兰州大学届硕士毕业论文 研究区模型模拟 . 模型的建立 模型的建立即为加载所有已建数据库并提取所需信息和参数的过程, 主要包括个步骤:流域的划分、土地利用和土壤类型的定义、水文响应单元 的 划分、输入气象数据、加载所有数据库信息。这些步骤都必须按顺序进行,环环 相扣,才能更好模拟研究区的水文循环、完成模型的运行。 .. 模型流域的划分 的预处理 的预处理是模型在输入后进行的第一步,这一步的进行可避 免在模型生成水系时产生偏差,在原始的中通常存在着一些凹陷点,需要 进行必须的预处理,即为填洼处理,该处理是逐一搜索中的每一个栅格点, 找出每一个凹陷点并使其高程值等于周围栅格点的最小高程值,运用高程增量迭 加算法设定其流向,由此得到一个无洼地、可应用的。在模型中,预 处理的进行是按照模型中己设定的程序自行完成的,不需选择任何参数。 确定水流流向 水流流向为水流流出栅格单元的方向。确定的水流流向通常是运用 算法进行的,该文在进行计算时,首先计算的每一栅格单元与其相邻的八 个单元之间的坡度,然后根据最陡坡度原则将其中最陡的坡度设定为该栅格单元 的水流流向。水流流向的算法如图.所示。舷谢 图流向示意图 . 计算上游集水面积 上游集水面积指流经任一栅格单元的水流以上所占有的所有栅格面积。在计 算上游集水面积时沿最陡坡度原则确定的水流方向进行计算,可得到任一栅格单 元的坡面集水面积,只不过这些集水面积的量值是以栅格数目表示,而不是实际 的水面面积。 提取水系 流域集水面积图上每个栅格单元的值代表上游集水区内流入该单元的所有 栅格点的总数。在提取水系时,需要设定一个河道最小集水面积的阈值,该阈值兰州大学届碰?毕业电文 是指形成永久性河流所必需的面积参数,当上游集水面积的值大于该临界值时, 将其定义为河道,小于该临界值时不足以产生径流形成河道,则定义为非河道。 该文根据研究区实际情况,设定最小集水面积阈值,高于的 集水面积栅格单元标记为,否则标记为,得到二值栅格矩阵,就是河流栅格水 系图,根据水流流向和河流栅格水系,是终提取得到所需要的河网水系。 确定流域边界 首先加载流域出口位置的控制点,该点位于鹦鸽嘴水库入水口,然后选择己 确定的流域出口的点,确定流域出口.而后根据水流流向勾绘流域边界,最后得 到梨园河鹦鸽嘴以上流域面积为。 提取流域特征参数 在勾绘流域的过程中,按需要提取计算了流域坡度、水流流向、流域累积流 量、流域栅格水系和水系等参数,这些参数都是依据数字高程模型计算得出 的。 梨园河流域的坡度、水流流向、流域水系如图、、.所示。?? 呈 ’ . & 謦之。.刊 ?而一??百丽石一一 硼桑同河漉域坡度 兰州大学届硬士毕业论立 圈档果园柯流域水流流向 圈“枭园河瘴域承系圈 . 子流域的划分 应用,基于梨园河流域 万数据,进行上述模拟,然后根兰州大学月颈?毕业 论文 据笔者定义的河道展小集水面积阐值和流域的出口控制点位置,进行子流域 划 分,在文中,设置的最小集水面积闽值为,流域出水口控制点位置为鹦 鸽嘴水库水文站,利用鹦鸽嘴水库水文站的径流数据进行模型参数的率定和验 证。是后,根据上述处理后,将流域划分为个子流域。子流域划分图如图. 图桑园河蠹壤子瘫域捌分田 嘻 ..土地利用和土壤类型的定义 梨园河流域的土地利用数据时从:万的全国土地利用图中切割出来的, 主要有种土地利用类型,分别为:早地、有林地、灌木林、疏林地、高覆盖 度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、永久性冰川、城镇用地、其他建设用地、 农村居民点、其他,将其重分类得到中土地利用类型,并将土地类型与 模型数据库中的植物生长模型的代码相对应,分别为耕地、韩地 、草地、水域、城镇用地与工业用地、农 村居民点、湿地。梨园河流域的土壤类型数据来自全围: 万土壤类型图,由流域边界对全国土壤类型图进行切割,得到研究区土壤类 型图,主要的土壤类型有个亚类:灰褐土、栗钙土、液栗钙土、灰钙土、淡 灰钙土、盐化灰钙土、草毡土、棕草毡土、黑毡土、棕黑毡土、寒冻土、冷钙土。 在中输入土地利用和土壤类型的索引文件、,可根据 索引文件查找己建立的土地利用和土壤类型属性数据库,最后叠加土地利用类型 和土壤类型栅格图.以便划分水文响应单元时使用。兰州大学届硕士毕业论 文 ..水文响应单元的划分 流域水文响应单元硼是指下垫面条件的空间特性相对单一和分布相 对均匀的区域,在每个区域单元中,水文特性有相似的特性。在流域分布式模拟 过程中,必须在每个子流域上划分水文响应单元,来进一步揭示流域内部的下垫 面差异,使得每个中仅存在相对单一的土地利用类型和土壤类型,充分体 现整个流域下垫面的空间不均匀性。根据梨园河流域的土地利用类型和土壤类型 的分布特征,设定土地利用类型的面积阈值为%,土壤类型的面积阈值为%, 来定义水文响应单元。土地利用类型的面积阈值为土地利用类型占有子流域面积 的百分比,土壤类型的面积阈值为土壤类型占有单个土地利用类型面积的百分 比,如此可生成个水文响应单元。 ..输入气象数据 输入气象数据即为定义气象站、雨量站等的位置信息表,文中共有个气象 站的资料,这个个气象站分别为临泽、肃南、民乐、张掖气象站,共有年 的气象资料。 气象站的位置信息表为:.位置信息表的站点名称必须 与气象数据库中的站点相对应,以便建立天气发生器,模拟日气象资料。 降水测站位置信息表为:.调用梨园河流域上的个测站 的实测降水资料,测站分别为:临泽、肃南、民乐、张掖。 气温测站的位置信息表为:.,调用梨园河流域上的个测 站的实测最高最低气温资料,测站分别为:临泽、肃南、民乐、张掖。 风速测站的位置信息表为:.,调用梨园河流域上个测站 的实测风速资料,测站分别为:临泽、肃南、民乐。 相对湿度测站的位置信息表为:.,调用梨园河流域上个 测站的相对湿度资料,测站分别为:临泽、肃南、民乐、张掖。 ..加载数据库信息 将所有的数据库信息与对应的索引链接以后,可将数据库信息写入模型中, 以便模型运行时使用。写入的文件如表?所示。 表 模型写入文件 . 兰州大学届硕士毕业论文 .运行模型 运行模型时,需要选择模拟时段、模拟方法、模拟时间尺度。 ..模拟时段的选择 根据实测的径流资料时段,设定模型运行的准备期、参数率定期和模型验证 期。模型运行时段划分如图.所示。 图模型运行时段划分图 . 由于搜集到的径流资料为鹦鸽嘴水库.年的月平均径流资料,根据 资料的完整性,选取时段.年的资料为模拟时段。因此,将模拟参数的 准备期设置为.年,率定期设置为.年,验证期为. 年。 ..各模块模拟方法的选择 地表径流的产汇流模拟 地表径流的产汇流模拟涉及到降水、产流、河道演算 三个参数的选择。 //:模拟方法表示应用日降水量数据进行径流曲线 数法和以日为时间步长的河道汇流演算; .//:模拟方法表示应用半小时降水量数据进行 径流计算和以日为时间步长的河道汇流演算; ?.//:模拟方法表示应用半小时降水量数据进行 径流计算和以小时为时间步长的河道汇流演算。 由于搜集的降水量资料为日降水资料,所以选用 //作为地 表径流产汇流模拟方式。 降水分布模拟 在中,模拟降水分布的方法有两种: 偏正态分 布和 混合指数分布。由于搜集到的降水资料为日时间尺 度,选择 作为模拟降水分布的方法。兰州大学 届硕士毕业论文 蒸发模拟 在中,为潜在蒸发量 的计算提供个方法,分 、? 。其 别为:? 、 中,.需要输入日太阳辐射、最高最低气温和相对湿度作为基础数 据,. 需要输入日太阳辐射、最高最低气温、相对湿度和 风速作为基础数据,方法仅需要输入日最高最低气温作为模拟基础数 据。根据搜集到的气象资料条件,以及判断各种方法的模拟精度,最终选择 方法作为潜在蒸发量的模拟方法,较为合理。 河道演算 在中,模拟河道汇流的方法有两种: 变动蓄量 系数法、马斯京根法,根据梨园河的产流和汇流机理的实际情况 选用 变动蓄量系数法计算河道演进。 其他模块的选择 由于在该论文中仅对地表径流进行模拟,中关于土壤侵蚀模型和 污染负荷模型的模拟不涉及,所以相关的模块如 破碎流动、 河道尺寸、 河流水质、湖泊水质。 均选择 ..时间尺度的选择 的时间尺度有三种:日、月、年, 根据已获得的径流资料为多年月平均资料,所以模型模拟选择月作为模拟的 时间 尺度。 .模型参数的率定与验证 在模型中,可采用两种方法进行参数率定,即手动试错法和自动优 化参数法。手动试错法是通过大量的试错、模拟、比较、试错等一系列步骤,逐 渐向最优值推进的方法进行参数估计的,这种方法耗时较长。与手动试错法相比, 自动优化参数法具有计算速度快的优点,且自动优化法比手动试错法更为客观。 但由于使用的是作为模拟工具,在该模型中只有手动试错法作为率 定方法,使用手动试错法时采用“ ”法也即微调法进行率定:首先粗略 调参,通过计算模型的评价标准,取临界值作为调参范围,然后将调参的步长细 化,精确调参,计算模型的评价标准,使模型的适用性达到最优,以确定手动试 错调整参数的最终值。 模型参数的率定与验证需要将实测的径流资料整体分为两部分,一部分用于 模型参数的率定,另~部分用于模型参数的验证。模型参数率定的过程是使模拟 结果更加拟合于实测数据的过程,是模型建立与运行过程中非常关键的一步,模兰州大学届硕:毕业论文 型中,不管是矢量数据还是栅格数据的输入均基于物理过程机制,但是模型 内部 参数的提取与运算的物理性是否存在局限性有待进一步研究,因此需要通过必要 的参数调整来弥补模型的局限性,进而通过另一部分径流资料对模型的适用性进 行验证和评价。 ..模型适用性的评价标准 模型选择相对误差胎、相关系数尺、和.效率系数。作 为标准来评价水文模型的适用性。 相对误差尺 生旦×% 式中:胎为模型模拟的相对误差; 为模拟值;为实测值。 相关系数的正负值表征模拟值与实测值之间偏差,若为正,说明模型预 测或模拟值偏大;若胎为负,说明模型模拟或预测值偏小;若,则说明 模型预测或模拟结果与实测值相吻合。有相关研究表明相对误差%时, 模拟效果较好,表示模型的模拟结果可为现实生产生活的应用提供一定的参考依 捌】。 相关系数 相关系数的计算可在?中应用线性回归函数求得,其值的 大小是预测值或模拟值与实测值间相关程度的一个评价标准,当时,表示 相关性非常好,当时,其值越小,表示其相关性越差,即预测值或模拟值 与实测值的吻合程度越不令人满意。 ?效率系数如 ?一绯 瓦一掣??一 ?增 式中:为实测值;为模拟值;%为实测平均值;刀为实测数据的个 数。当时,;若取为负值,说明模型模拟平均值比直接使用实测 平均值的可信度还低。据以往模型的模拟经验,当.时,可认为模拟效 果好;当..时,模拟效果令人满意;当瓦.时,模拟效果不 好。 在模型中,产水量可作为径流总量来使用,它是指离 开子流域后,并在子流域出口汇入主河道的水量,是地表水、侧向流和基流与子 流域河道输移损失和水池截留损失间的差值水量。为了进行模型的校准和检验,兰州大学届硕士毕业论文 到实地考察,并从临泽县水务局搜集到了鹦鸽嘴水库还原到入口处的径流量资料 作为参数率定和验证的原始资料。 ..模型参数敏感性分析 在模型中,必须对各参数进行敏感性分析,这一步骤是判定某一参 数对计算结果的影响程度的基础,以此来选择敏感性较大的参数来进行模型的参 数率定,既可增加率定的准确性和率定的针对性,又可减少模型率定阶段的消耗 时间。在分布式水文模型中,存在着大量的参数,进行敏感性分析的方法有两种: 一种是摩尔斯分类筛选法,即“微扰动”分析方法,调整并计算大量的输入参数并 比较每次调整后的输出结果与实测值之间的相关性,以选择相关性最好所对应的 最优参数;另一种方法是在筛选分类完成后,运用傅里叶敏感性检验法计算输出 结果与实测值间的相关性,选择其中相关性较好的一些参数来进一步计算敏感度 指标值,分析这些参数对输出结果的影响程度。在文中选择摩尔斯分类筛选法来 进行参数敏感性分析,由此针对地表径流模拟的参数敏感性建立参数基础数据 集,如表.所示。 表径流模拟调节参数表 . 校准参数 参数含义陆地植被所应用的水土流失因子的最小值 【 月日的融雩因子 月日的融雪因子基流消退系数 发生回流所要求的浅层地下水的阂值深度 、俑 浅层地下水再蒸发系数 ?气 浅层地下水再蒸发的阈值深度 土壤蒸发补偿系数 平均边坡陡度 平均坡长 湿润条件下的径流曲线数土壤可利用水量 根据以往在黑河流域的敏感性分析经验及梨园河的实际,在建立 模型模拟地表径流的过程中,为率定这~步骤筛选出最为敏感的个调节性参 数:径流曲线数、浅层地下水再蒸发系数 ?心、土壤蒸发补偿 系数、土壤可利用水量 、平均边坡陡度,由于 研究区位于祁连山下,伴有冰雪融水作为梨园河流域的补给来源,因此,再选 择 融雪因子、作为敏感性参数来调整模型的参数以达到模型 参数取值的最优。兰州大学届硕士毕业论文 ..模型参数的率定与验证 该文对径流进行参数率定,亦是对总径流进行率定。根据模型参数率定与验 证对数据的要求,选用?年鹦鸽嘴水文站的径流数据进行参数率定,并 采用参数率定过程中最终得到的参数,应用.年的实测数据进行模型验 证。 模型率定调整的参数包括:径流曲线数、浅层地下水再蒸发系数 、土壤蒸发补偿系数、土壤可利用水量 、 平均边坡陡度、融雪因子、。最终调整得到适合 该流域的模型参数值,其他对径流模拟影响不大的参数采用默认值。该论文的研 究调整参数值如表.所示,参数调整结束后可使模拟值与实测值达到最好的拟 合程度。 径流参数的校准首先考虑水量平衡,首先是总水量的平衡和各部分水量的平 衡,如蒸发、地表径流和基流等;其次对洪水过程进行调参,考虑的是地表和河 道汇流时间,流量峰值以及退水过程等方面。 按照以上的方法来调整模型的参数,使模拟值和实测